基于matlab的同步发电机组建模与仿真

基于matlab的同步发电机组建模与仿真基于matlab的同步发电机组建模与仿真I 基于MATLAB 的同步发电机组建模与仿真摘要随着电网的规模越来越大，电力系统的运行也随之越来越复杂。

同步发电机及其控制系统作为电源是电力系统中的重要组成部分，其性能对电力系统有着极大的影响，直接关系到系统的稳定运行。

为了使电力系统安全而经济地运行，我们必须对同步发电机组特性进行深入的研究。

而同步发电机组运行是一个相当复杂的过程，其动态特性随着机组的运行状态而不断变化，所以建立机组的模型并进行仿真研究是掌握发电机动态特性，评价其各个控制系统性能的有效手段，并且对工作人员的培训和研究将起到很大的作用。

同步发电机组模型的建立将涉及到机组的机理分析，有利于从理论建模中引出新的设计方法，为优化设计提供理论依据。

本文将对同步发电机及其励磁系统、调速系统的数学模型进行研究，利用MATLAB/Simulink 搭建同步发电机组的仿真模型，建立单机无穷大系统，最后对模型进行仿真，并分析仿真结果。

关键词：
电力系统；单机无穷大系统；MATLAB/Simulink；仿真；同步发电机组华北电力大学本科毕业设计（论文）摘要II SYNCHRONOUS GENERATOR UNIT MODELING AND SIMULATION BASED ON MATLAB Abstract With the enlargement of the power grid scale, the operation of the power system is becoming more and more complex. As supply unit of the system, synchronous generator and its control system plays an important part in the power system. Their performance also imposes great influence to the power system and has a direct connection with the power system stability. In order to ensure the safe and economic operation of the power system, we shall do a profound research on the synchronous generator unit characteristics. However, the operation of the synchronous generator unit is a extremely complex process. Its dynamic characteristics are subject to the changing states of the unit operation. Therefore, it is efficient to build a unit model and do simulations research to acquire the dynamic characteristics of the unit, and evaluate the performance of each control system. This will also play a great role in the staff training and researches. The building of the synchronous generator unit model will involve the mechanic analysis of the unit, do favor to deduce new designing methods from theoretical model building
and provide theoretical basis to the optimization design. In this paper the mathematical model of the synchronous generator and its excitation system, speed regulating system will be researched; the simulation model of synchronous generator unit will be built based on MATLAB/Simulink; a single-unit infinite system will be established; finally simulate the model and verify the accuracy of the model. Key Words: Power System; Single-unit Infinite System; MATLAB/Simulink; Simulation; Synchronous Generator Unit 华北电力大学本科毕业设计（论文）目录i 目录摘要∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙I
Abstract∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙II 1 绪论∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙1 1.1 课题背景和意义∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙1 1.2 电力系统仿真发展现状∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙1 1.3 本课题所完成的主要工作∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙2 2 同步发电机组数学模型
∙∙∙∙∙∙4 2.1 同步发电机数学模型∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙4 2.1.1 同步发电机数学建模概述∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙4 2.1.2 同步发电机基本方程∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙4 2.1.3 同步发电机三阶模型∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙4 2.1.4 单机无穷大系统∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙7 2.2 励磁系统数学模型∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙8 2.2.1 同步发电机励磁自动控制系统概述∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙8 2.2.2 同步发电机励磁自动控制系统数学模型∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙8 2.3 调速系统数学模型∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙10 2.3.1 同步发电机组调速控制系统概述∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙10 2.3.2 同步发电机调速系统数学模型
于MATLAB 同步发电机组仿真∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙12 3.1 MATLAB 介绍∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙12 3.1.1 MATLAB/Simulink∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙12 3.1.2 常用Simulink 库模块∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙13 3.2 同步发电机组仿真的初值计算∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙14 3.3 同步发电机组仿真模型∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙15 3.3.1 同步发电机模型∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙16 3.3.2 同步发电机励磁自动控制系统仿真模型∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙17 3.3.3 同步发电机调速系统仿真模型∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙18 3.4 系统仿真及结果分析∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙18 3.4.1 稳定运行
∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙19 3.4.2 系统电压突增或突降∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙20 3.4.3 增加励磁系统给定电压∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙2 1 3.4.4 增加调速系统给定功率∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙2 3 华北电力大学本科毕业设计（论文）目录ii 3.4.5 三相突然短路∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙24 4 结论与展望∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙26 参考文献∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙27 致谢∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙28 华北电力大学本科毕业设计（论文）1 1 绪论1.1 课题背景和意义随着现代电力系统网络规模的不断扩大和电网电压等级的不断升高，电力系统规划、运行和控制的复杂性亦日益增加。

同步发电机及其控制系统作为电力系统的重要组成部分，其性能对电力系统有着极大的影响，直接关系到电力系
统运行的安全和稳定。

为了使电力系统安全而经济地运行，我们必须对同步发电机组特性进行深入的研究。

而同步发电机组运行是一个相当复杂的过程，其动态特性随着机组的运行状态而不断变化，所以建立机组的模型并进行仿真研究是掌握发电机动态特性，评价其各个控制系统性能的有效手段，并且对工作人员的培训和研究将起到很大的作用。

同步发电机组模型的建立将涉及到机组的机理分析，有利于从理论建模中引出新的设计方法，为优化设计提供理论依据。

1.2 电力系统仿真发展现状自20 世纪40 年代以来，用计算机方法去研究系统的特性成为科学发展的时尚。

仿真技术是一门多学科综合的应用技术科学，也是一门近年来发展迅速的新兴学科。

仿真就是建立系统的模型(数学模型、物理效应模型或数学—物理效应模型)并在模型上进行实验[1]。

随着电力系统发展的越来越庞大，电力系统的运行也随之越来越复杂，并且计算机应用技术发展迅速，电力系统的动态实时计算机仿真系统由于其精度高、改变参数方便、重复性好等优点，已经逐渐取代传统的物理仿真系统[2]。

电力系统数字仿真是在计算机上为电力系统的物理过程
建立数学模型，用数学方法求解，以进行仿真研究的过程。

电力系统数字仿真因具有不受原型系统规模和结构复杂性限制,能保证被研究系统的安全性, 且具有良好的经济性、方便性等优点,在电力系统各个领域中已获得了广泛应用。

目前，电力系统的仿真技术可以总结归纳如下[3]：
1) 电力系统离线仿真技术：
电力系统离线仿真是在数字计算机上为电力系统的物理过程建立数学模型，用数学方法求解，以进行仿真研究的过程。

在建立数学模型时，往往忽略一些次要的因素，因而常常是一个简化的模型。

目前，电力系统离线仿真软件，对不同的动态过程采用不同的仿真方法，主要有电磁暂态过程仿真、机电暂态过程仿真和中长期动态过程仿真3 种。

2) 电力系统实时仿真技术：
电力系统实时仿真系统大概经历了三个历史阶段，基于相似理论的以实际旋转电机为代表的电力系统动态模拟仿真系统、数模混合式实时仿真系统、全数字实时仿真系统。

我国电力系统实时仿真的发展历程基本跟踪了国际上电力系统实时仿真发展不同阶段的最新技术。

在同步发电机的建模与仿真研究方面，使用的仿真工具有多种。

它们在建立同步发华北电力大学本科毕业设计（论文）2
电机模型的方法上各有不同，在研究同步发电机不同问题上也是各有侧重与优势。

目前，关于同步发电机组的常用仿真软件可以总结如下：1) Saber 仿真软件[4] Saber 具有很大的通用模型库和较为精确的具体型号的器件模型，采取的是组合仿真方式。

在Saber 软件平台上对同步发电机进行建模和仿真既简捷又有效。

Saber 建模分两个步骤：
首先编写器件的模板，它是用Mast 语言编写的源程序,用于描述器件的工作性能；然后利用Saber 提供的Symbol Edit 为第一步编写的器件画出元件图，在该图属性列表中填入primitive 为模板名，实现该图与模板的连接。

在建立同步发电机组数学模型时，由于不要求电机方程的解析解,电机的数学模型就采用实际的电机模型,电压与磁链方程不必进行坐标变换。

2) Maxwell 2D 仿真软件[5] 随着计算机在数值计算领域的广泛应用，尤其是有限元法分析在电磁场中的应用，采用电磁场方法精确计算电机的动态问题已成为可能。

利用ANSOFT 公司的Maxwell 2D 软件提供的二维有限元仿真环境建立的同步发电机的二维有限元模型，可以直观地看到电机磁场的分布情况。

选择气隙中的一个点，可以计算气隙的磁密，并以表格形
式记录下来；可以看到静态下Bδ与Ff 的曲线；可以得到电机的空载特性。

3) PSPICE 仿真软件[6] SPICE 是世界著名的模拟电路仿真标准工具，PSPICE 是MicroSim 公司当今众多SPICE 不同分支中的一种，是用在PC 机上作电子线路设计模拟和仿真的软件包。

PSPICE 5.0 的特点是能够针对具体的电路模型，采取相应的无源器件、有源器件和电源模型进行描述，然后作出包括直流分析、交流分析和瞬态分析等相应的分析。

因此，利用PSPICE 5.0 对同步发电机进行数字仿真，研究其数学模型，并将其转换为相应的PSPICE 电路模型，获得发电机三相短路数据，解决了由于同步发电机内部结构及与之相应的数学模型所具有的独特复杂性, 电气设计人员一直为三相短路精确仿真问题所困扰的问题。

PSPICE 是根据电路输入文件完成相应的模拟，也就是通过PSPICE 的编程来描述同步发电机的数学模型，实现同步发电机的建模。

4) DSP(TMSF240)仿真软件[7] 基于DSP(TMSF240)的同步发电机实时仿真系统是系统集检测、分析、报警于一体，并可以方便地进行同步发电机的多种工况下的过渡过程和动态行为的实时仿真。

它能取代现实中的同步发电机组与待测励磁调节器构成
的闭环系统，从而检测出励磁调节器性能。

在建模与仿真的实现方法上，该系统需要设计软硬件，采用主从CPU 结构，由主控模块、仿真计算核心模块、输入输出模块和定时中断模块组成软件部分。

1.3 本课题所完成的主要工作本文是对同步发电机组进行建模与仿真，并分析所建模型的正确性。

本课题是在研华北电力大学本科毕业设计（论文）3 究同步发电机组的数学模型基础上，研究单机无穷大系统的状态方程组及励磁系统和调速系统的传递函数，在Matlab/Simulink 环境下搭建同步发电机组的单机对无穷大系统，分析仿真结果。

主要工作如下：
1) 在阅读和研究国内外关于发电机组建模和仿真的文献基础上，结合同步发电机组特点，构思出整体的同步发电机组的设计方案。

2) 研究同步发电机组数学模型，结合参考文献，得出单机对无穷大系统的状态方程，以及励磁系统和调速系统的传递函数。

3) 在Matlab/Simulink 环境下，搭建单机无穷大系统状态方程和励磁系统、调速系统传递函数，实现同步发电机组的仿真模型。

4) 研究仿真中的初始化问题，对本课题的仿真模型相关
变量进行初始化计算，并对模型相关参数进行设置，最后进行仿真，分析结果。

华北电力大学本科毕业设计（论文）4 2 同步发电机组数学模型 2.1 同步发电机数学模型 2.1.1 同步发电机数学建模概述同步发电机是电力系统非常重要的元件，它是一种集旋转与静止、电磁变化和机械运动于一体，实现电能与机械能变换的元件，其动态性能十分复杂，而其动态性能又对全电力系统的动态性能有极大的影响。

建立的同步发电机模型的类型、精度直接影响着暂态稳定数字仿真的效果，通常在建模之前，为了简化分析，一般均假设同步电机为理想同步电机[8]。

在分析电力系统暂态稳定中，同步电机实用模型最重要的简化假定是:忽略定子绕组暂态过程，从而令定子电压微分方程中,这样就把它化为代数方0 dq pp程。

另一假定是定子电压方程中,从而使方程线性化。

另外，对实际的同步电机还要1作必要的假定：
1) 电机磁铁部分的磁导率为常数，既忽略磁滞、磁饱和的影响，也不计涡流及集肤作用的影响。

2) 对纵轴及横轴而言，电机转子在结构上是完全对称的。

3) 定子及转子的槽及通风沟等不影响电机转子及转子的电感，即认为电机的定子及转子是光滑的。

以上的假定在大多数情况下都能满足实际工程研究的需
要，下面给出的同步电机基本方程基于上述假定[9]。

2.1.2 同步发电机基本方程同步电机数学模型在abc 坐标下为8 阶模型。

由于转子的旋转和凸极效应，造成发电机原始方程的系数是随着转子位置的角度(也就是随着时间)而改变的，这些方程是属于所谓的变系数微分方程，使得方程的求解非常复杂困难，因此实际分析同步电机时很少采用abc 坐标。

派克变换是最广泛应用的坐标变换之一，可以将同步电机含变系数的微分方程“改造”成为常系数的微分方程。

通过派克变换，可以在dq 旋转轴上分析研究电机的电磁现象，进而能很好地适应转子的旋转与凸极效应[2]。

经派克变换后得到的dq0 坐标下同步发电机微分方程，即派克方程(电压方程、磁链方程)，其中的电感参数均为定值，从而非常有利于同步电机动态分析与计算。

2.1.3 同步发电机三阶模型在建立同步发电机的数学模型时，详简不同的数学模型,其主要区别在于电机的转子绕组数[10]，如果转子 D 轴、Q 轴各有两个绕组，且每一个转子绕组有一个一阶微分方程，那么则称之为转子四阶模型，连同转子运动方程为两阶方程，则整个发电机方程组为六阶模型。

如果转子绕组数减少，则发电机方程组的阶数也相应减少。

不同阶的模型，可以在不同目的电力系统暂态数字仿真中使用[11]。

在实用电力系统动态分析中，当计及励磁系统动态时，最简单的模型就是三阶模型，由于它简单而又能计及励磁系统动态，因此广泛的应用于精度要求不十分高，但仍需计及励磁系统动态的电力系统分析中。

本文华北电力大学本科毕业设计（论文）5 中将只考虑机组 f 绕组的电磁暂态以及转子运动过程,不考虑转子阻尼绕组的暂态过程,即所建模型为三阶模型。

1) 等效实用变量的定义：
a) 定子励磁电动势Ef ：
(2-1) ad ff f X Eu r b) 电机q 轴空载电动势Eq(又称Xd后面的电动势): (2-2) qad f EX i c) 电机q 轴瞬变电动势(又称X′d后面的电动势): q E (2-3) q ad f f X E X
2) 置换用的变量表达式推导：
因为,所以00fff uir (2-4) 0000 ad ffad fq f X EuX iE r 由发电机基本电压方程可得: (2-5) 000000qda qqd da q ur iEX ir i(其中, ) 000dd dad f X iX i 由发电机基本磁链方程可知: (2-6) fad dff X iX i
将上式代入式(2-3): (2-7) 2 adad qfad f ff XX EX i XX
因为, ,所以我们可以得到: 2 ad dd f X XX X (2-8) () qqddd EEXXi根据式(2-5)和式(2-8)可
得: (2-9) 0000qqd da q uEX ir i用相量图可以表示,和之间的关系,如图(2-1):0q u 0q E 0q E 华北电力大学本科毕业设计（论文） 6 q i V I G I G V d u d i d S )0(x q 00fq EE q u ddI X 0q E ddI X qd E GqI jX 图2-1 ,和之间的相量关系0q u 0q E 0q E 3) 定子电压方程：
根据电压、磁链方程(派克方程)，消去、，得到：
d q (2-10) ddqa dq qa d upr iX ir i
(2-11) qqda qqd da q upr iEX ir i 4) 转子励磁绕组电压方程：
根据电压方程，两边同乘以，可得：
ffff upr i ad f X r (2-12) ad ffq f X pEE r 因为，所以：
0 f adad ffqd fff X XX ET rXr
doqfq d TEEE dt (2-13)fqddd EEXXi
其中，为励磁绕组时间常数。

0 f d f X T r 5) 转子运动方程：
() memd qq d d HPPPii dt mqd dqq qd PEX iiX ii 华北电力大学本科毕业设计（论文）7 (2-14) mq qdqd q PE iXXi i
(2-15)1 d dt 若计及转子的阻尼效应，则式(2-12)可以修改为：
(2-16) 1 mq qdqd q d HDPE iXXi i dt
其中，为发电机组阻尼系数。

D 式(2-13)、（2-14）和（2-15）即构成同步发电机的三阶模型。

2.1.4 单机无穷大系统如图2-2 所示单机无穷大系统: 同步发电机变压器T输电线路L VtVs 图2-2 单机-无穷大系统系统电压为Vs恒定不变，变压器和线路电抗为。

则可以求出：
l X (2-17) cos qs d d EV i X (2-18) sin s q q V i X 其中，, ；ddl XXX qql XXX 将式(2-17)、(2-18)代入式(2-13)，即得到单机无穷大系统的电压方程：
(2-19) 0 1 sin dd q fqqs dd XXdE EEEV dtTX
电磁功率方程： eqdqdq PEXXii cos sin qs s qdq dq EV V EXX XX
(2-20) 2 sin2 sin 2 sdq s q dqd VXX V E XXX 华北电力大学本科毕业设计（论文）8 2.2 励磁系统数学模型2.2.1 同步发电机励磁自动控制系统概述供给同步发电机励磁的装置称为励磁系统。

励磁系统是同步发电机组的重要组成部分，它由自动励
磁调节器和励磁功率单元组成。

自动励磁调节器分机电式励磁调节器、半导体励磁调节器和计算机励磁调节器。

励磁功率单元分为直流电源励磁和交流电源励磁。

直流电源励磁的电源为直流励磁机。

交流电源励磁包括交流电源和整流器两部分。

随着自动化技术的进步，励磁调节器经历了电磁式、模拟半导体式和数字式等几个发展阶段。

目前，电力系统中运行的励磁调节器种类很多、类型各异，但就控制规律而言，绝大多数属于比例式调节器。

励磁系统和发电机组成一个反馈自动控制系统——发电机励磁自动控制系统。

为保证同步电机的正常运行，励磁系统应能够稳定地提供同步电机从空载到满载以及过载时所需的励磁电流，励磁电流的改变会引起机端电压或无功功率的变化。

励磁自动控制系统按预定要求调节励磁电流，起到如下作用：
1) 电力系统正常运行时，维持发电机或系统某点电压水平；
2) 合理分配发电机间的无功负荷。

发电机的无功负荷与励磁电流有着密切的关系，励磁电流的自动调节，要影响发电机间无功负荷的分配，所以对励磁系统的调节特性有一定的要求；3) 在电力系统发生短路
故障时，按规定的要求强行励磁；4) 提高电力系统静稳定极限；5) 加快系统电压的恢复，改善系统工作条件。

为了使自动励磁控制系统充分发挥上述作用，装置应满足如下几点基本要求：
1) 在正常情况下，能根据机端电压的变化自动地改变励磁电流，维持发电机电压值在给定水平；2) 并列运行发电机上装有自动励磁调节器时，应能稳定分配机组间的无功负荷；3) 电力系统发生故障导致电压降低时，励磁系统应有很快的响应速度和足够大的强励顶值电压，以实现强行励磁的作用；4) 装置要简单可靠，动作要迅速，调节过程要稳定。

调节系统应无失灵区，以保证在人工稳定区内运行[12]。

为了研究励磁系统对电力系统稳定的影响，就必须设计合理的励磁调节器模型，通过仿真来深入了解不同参数下的励磁系统对改善电力系统稳定性的作用。

对励磁自动控制系统建立数学模型，需要根据建模的目的和控制系统的结构及其工作条件做出一些假设，这样建立的数学模型能够突出主要矛盾，使数学式简化、物理意义清楚。

因此，由同一个励磁系统所构成的发电机励磁自动控制系统用于不同目的时建立的数学模型是不相同的。

例如，用于电力系统稳定研究时一般都要进行较多的简
化，只剩下最能表达励磁系统本质特性的部分；用于研究励磁系统性能的数学模型就要较少简化，以使结果尽量精确[13]。

本文将所建模型属于前者。

2.2.2 同步发电机励磁自动控制系统数学模型实际电力系统中，励磁系统的种类繁多，各不相同，本文励磁系统是以下面的结构华北电力大学本科毕业设计（论文）9 来进行设计的。

电压测量单元综合放大单元适应单元励磁功率单元∑∑ ＋＋－－Ugd UGUZHUsEf 图2-3 励磁系统结构图1) 电压测量单元的传递函数电压测量单元包括测量变压器和 6 相桥式整流电路，作用是把发电机机端电压UG 变成与之成正比的直流电压。

在正常情况下，可以把电压测量单元看成是一个比例环节。

2) 综合放大单元的传递函数综合放大单元由由运算放大器及其附属电路组成，基本功能是综合放大调节器的各控制信号，整定系统的动态增益系数。

1 1 1 K TS p K
2 2 1 K T S＋＋Ugd UCH UZH 图2-4 综合放大单元的传递函数框图3) 适应单元的传递函数1 a a K T S UZHUs 图2-5 适应单元传递函数框图4) 励磁功率单元的传递函数本励磁系统的功率单元为
三相全控可控硅桥式整流电路，忽略换相电抗压降和可控硅管压降时励磁功率单元的传递函数可以认为是一个比例环节。

通过以上分析，我们可以得出线性化的同步发电机自并励励磁系统传递函数：
2 2 1 K T S 1 1 1 CH K K TS p K 1 a a K T S
SCR K Ugd UG －＋Ef 图2-6 线性化的同步发电机自并励励磁系统传递函数框图本文中，建立的模型参数都是标么值，所以对励磁控制系统也要用标么值表示。

除综合放大单元外，其余各环节用标么值表示的放大系数均为1[13]。

华北电力大学本科毕业设计（论文）10 2 1 1 T S 1 1 1 TS p K 1 1 a T S Ugd UG －＋Ef 图2-7 用标么值表示的发电机自并励自动控制系统传递函数框图其中，、——综合放大单元回路的时间常数；1 T 2 T ——比例放大电路的放大系数；p K ——适应单元的时间常数。

a T 2.3 调速系统数学模型2.3.1 同步发电机组调速控制系统概述我国电力系统额定电压为50Hz，在系统稳定运行被破坏，如频率，将对电力系统和电力系统用户造成很大的影响。

电力系统频率变化会引起异步电动机转速的变化，这会使得电动机所驱动的加工工业产品的机械的转速发生变化；
电力系统频率波动会影响某些测量和控制用的电子设备的准确性和性能；电力系统频率的降低将使电动机的转速和输出功率降低，影响设备的正常运行。

对于电力系统，频率的降低将导致汽轮机叶片的振动变大，轻则影响实用寿命，重则可能产生裂纹；频率下降到47~48Hz 时，火电厂厂用机械的出力随之下降，使火电厂锅炉和汽轮机的出力随之下降，从而使火电厂发出的有功功率下降，这种趋势如果不能制止，就会在短时间内使电力系统频率下降到不能允。